提高离心泵效率（精选六篇）
提高离心泵效率 篇1
关键词：离心泵,效率,结构,机械损失,容积损失,水力损失
1 引言
随着能源的不断紧缺, 节能和能源开发技术一直是研究的热点。泵在人们生活中使用广泛, 是主要的耗能设备之一[1]。离心泵在航空领域主要用于飞机和发动机燃油系统, 主要功用为输油增压。由于离心泵本身的结构和特点所限, 该类型的泵效率普遍较低, 如何提高其效率, 降低对飞机电源和发动机输出功率的要求, 对于飞机和发动机来说是非常有意义的。本文从离心泵的能量损失分类入手, 探索提高离心泵效率的几种可行方法。
2 离心泵结构特点
离心泵用于飞机燃油系统, 一般情况下由电动机和泵体组件组成, 依靠电动机驱动离心泵工作。用于发动机燃油系统时, 由于安装部位距发动机较近, 泵体部分一般通过法兰将离心泵安装固定在航空发动机附件机匣上, 由发动机附件机匣直接驱动离心泵工作。无论哪一种形式, 其核心部分都是泵体组件。该部分效率的高低直接影响产品的最终性能。泵体组件的主要组成部分有泵盖、叶轮、壳体和密封组件等组成, 其中叶轮为离心泵的主导部件。为提高离心泵的抗汽蚀性能, 一般在叶轮前还安装有导流器。在原动机的驱动下, 叶轮带动液体一起旋转, 液体在离心力作用下, 被不断甩往叶轮叶片间通道的出口处, 从而产生压力能和动能, 再汇集进入蜗形集液槽内, 液流速度在螺旋槽切面上随半径的增大而减少, 其结果使液体获得压力能。
3 提高离心泵效率途径
按泵内能量损失形式的不同, 泵能量损失可分为机械损失、容积损失和水力损失。离心泵的总效率是考虑到机械损失、容积损失和水力损失后的效率, 是容积、机械和水力三种效率的乘积[2,3]。下面从提高泵机械效率、容积效率、水力效率三个方面分析提高离心泵效率的途径。
3.1 提高离心泵机械效率
离心泵机械损失主要是轴承摩擦损失、轴封摩擦损失和叶轮圆盘摩擦损失Δhyf, 其中轴承摩擦损失和轴封摩擦损失因产品结构布局所限制, 很难进行改进, 且在泵机械损失中所占比例较小, 因此主要考虑最大限度地减小叶轮圆盘摩擦损失Δhyf, 以提高离心泵机械效率。根据文献[4]叶轮圆盘摩擦损失有如下计算公式:
Kyf-圆盘摩擦损失修正系数;ω-叶轮旋转角速度, r/s;D2-叶轮外径, m;g-重力加速度, m/s2。
根据式 (1) 进行分析, 可以得出叶轮圆盘摩擦损失的大小与转速的三次方成正比, 与叶轮外径的五次方成正比。要减小叶轮圆盘摩擦损失, 提高泵机械效率, 可采取下列措施:
(1) 减小叶轮外径:根据公式分析, 叶轮圆盘摩擦损失的大小与与叶轮外径的五次方成正比, 根据给定的扬程, 最大限度减小叶轮外径, 以减小损失, 提高泵机械效率。根据泵的设计理论可知, 当选取较大的叶片出口角β2和叶片出口宽度b2时, 泵的扬程将会得到提高, 从而可相应减小叶轮外径D2, 进而减小叶轮圆盘摩擦损失, 提高泵机械效率。
另外可采用长短复合叶片式叶轮, 长短复合叶片设计可有效防止尾流的产生和发展, 增大了有限叶片修正系数, 从而增加泵扬程、减小叶轮外径, 可有效地改善流速分布, 提高泵性能[5]。
(2) 提高泵转速:根据公式分析, 叶轮圆盘摩擦损失的大小与转速的三次方成正比, 应减小泵转速, 减小损失, 提高泵机械效率, 但实际上泵转速增加后, 泵的扬程将会提高, 针对给定的扬程, 从而可相应地减小叶轮外径, 而叶轮外径减小后, 圆盘摩擦损失成五次方比例的下降。所以, 对给定的扬程, 应尽可能提高泵转速, 从而可以减小叶轮外径以提高泵机械效率。
(3) 另外, 叶轮圆盘摩擦损失还与叶轮盖板、泵体内壁的表面粗糙度有关, 降低表面粗糙度可以减少叶轮圆盘摩擦损失, 从而提高泵机械效率。
3.2 提高离心泵容积效率
离心泵的容积损失主要是叶轮与泵体密封环之间通过间隙所造成的流量泄漏损失。根据文献[6], 流经叶轮与密封环间隙的流量泄漏q用公式可表达为 (见图1) :
式中, πDWb-密封环间隙环形过流面积;DW-密封环间隙平均直径, m;b-密封环间隙的宽度, m;φ-密封环间隙圆角系数;λ-密封环间隙摩擦系数;l-密封环间隙长度, m△HW-密封环间隙两端压头差, m。
其中λ、φ是与离心泵密封环结构尺寸、形状有关的损失系数。而对于给定的泵设计参数, △HW一般约为0.8H (H为设计扬程) , 亦可认为是常数。因此, 对给定的泵, 要提高容积效率, 降低泄漏量, 可采取下列措施:
(1) 减少密封间隙的环形面积:从式 (2) 可看出, 要使容积损失最小, 就要减小密封环间隙环形过流面积, 即在设计中选择尽可能小的密封环间隙平均直径和密封环间隙宽度, 而密封环间隙平均直径与叶轮进口直径D0有直接关系, 因此在设计中要尽可能减小叶轮进口直径D0。但另一方面, 当D0变化时, 不仅对效率有影响, 同时对泵抗汽蚀性能产生影响。D0减小时, 汽蚀性能下降;在具体设计中应合理选择, 才能兼顾取得高效和高汽蚀性能。另外, 在叶轮入口直径一定的条件下, 在制造条件许可的情况下及安全运行前提下, 应尽量选取较小的密封环间隙宽度b。
(2) 增加密封环间隙阻力:将密封环设计成迷宫形或锯齿形, 即将整个密封间隙分成若干个小段, 这样的密封结构增大了间隙入口和出口的阻力。迷宫形密封环还增加了密封间隙的长度, 即增加了密封间隙的沿程阻力, 因而能减少泄漏量[6]。
3.3 提高离心泵水力效率
在离心泵工作时, 液体与壁面之间, 液体与液体之间, 因摩擦而产生的损失, 叫做水力损失, 也叫沿程损失。
对于设计工况而言, 水力损失主要由吸入室内的沿程损失、叶轮内的沿程损失和压出室内的沿程损失组成。液体在吸入室内的流速不大, 故损失也较小, 一般很少考虑。主要考虑叶轮和压出室的沿程损失。
叶轮内的沿程损失主要由叶轮流道扩散损失△hk, 叶轮流道摩擦损失△hef组成, 根据文献[4]有下列各种计算公式 (有关尺寸见图2) :
式中, g-重力加速度, m/s2;D2-叶轮外径, m;Kef-流道水力摩擦损失系数;ξ-沿程阻力系数;R-叶轮流道模拟圆管水力半径, m;β2-叶片出口角, (°) ;Km2-叶轮出口轴面速度系数;H-设计扬程, m;Z-叶片数;D1-叶片进口边平均直径, m;Kk-叶轮流道扩散损失修正系数;b2-叶轮叶片出口宽度, m;b1-叶轮叶片进口宽度, m;Vm2-叶轮出口轴面速度, m/s。
根据式 (3) 、 (4) 、 (5) 进行分析, 可以看出, 叶轮流道扩散损失和叶轮流道摩擦损失均与叶轮外径D2、叶片数Z成正比, 与叶轮出口轴面速度的二次方成正比, 与叶片出口角β2的正弦平方成反比。通过减小叶轮外径D2和叶片数Z可同时减小叶轮流道摩擦损失△hef、叶轮流道扩散损失△hhk, 从而提高水力效率。但由于叶片数还与扬程有关, 减少叶片数, 扬程将降低, 对给定的扬程, 为保持扬程不变, 必须增大叶轮外径D2, 因叶轮外径的增大, 从而增加了叶轮圆盘摩擦损失△hyf, 增大了机械损失。因此, 对叶片数的选择要全面综合分析考虑。
另外在设计时还要着重考虑压出室的设计, 由于液体在压出室的流速较高, 水力损失较大, 故往往因压出室设计不当而使泵的水力损失剧增。就对离心泵的性能影响来讲, 叶轮的作用要比压出室大。但这种情况并不是一成不变的, 如果一个设计良好的叶轮无合适的压出室与之配合, 再好的叶轮也无法发挥其作用。严重时, 可使泵产生振动而无法工作[6]。
压出室与叶轮的匹配设计在我们设计某型产品时得到了很好的验证。由于当时产品是在原成熟产品的基础上进行改进设计的, 主体结构参数未作变更, 仅通过对叶轮的改进, 始终无法满足主机要求, 主要是效率过低, 导致需求动力的功率过大, 影响到主机的整体性能匹配, 经过分析对压出室容腔深度进行了调整, 效率得到提高, 最终满足主机要求。
另外要提高泵水力效率, 还应注意以下问题: (1) 液体在过流部件各部位的速度大小要合理, 而且变化要平缓。 (2) 避免在流道内存在尖角、突然转弯、扩散以及死水区。 (3) 泵内各部分流道不宜过长, 流道表面应尽量光洁, 不允许有粘砂、飞边、毛刺等铸造缺陷存在。
5 结论
通过以上理论分析, 结合产品设计实践经验, 要提高离心泵效率, 主要途径是在满足压力和流量的前提下尽量减小叶轮外径, 并提高流道光洁度, 同时综合考虑离心泵抗汽蚀性能选择合适的叶轮进口直径D0和叶片数Z。综合考虑后, 可以采取以下主要措施提高离心泵效率: (1) 应尽可能提高离心泵转速, 以减小叶轮外径, 减小机械损失和水力损失, 从而提高泵效率; (2) 取较大的出口安放角β2、叶片出口宽度b2, 可相应减小叶轮外径D2, 减小机械损失和水力损失, 提高泵效率;结合厂内产品实际, 一般β2取20°~30°, 高比转速取小值, 低比转速取大值, 可取得较好的效果; (3) 叶轮进口直径D0和叶片数Z需要综合考虑离心泵抗汽蚀性能进行选择, 叶片数一般取6~8片; (4) 将密封环设计成锯齿形或迷宫形, 增加密封环间隙阻力, 以减小容积损失, 提高泵效率; (5) 综合产品流量需求, 设计合适的压出室与叶轮匹配使用; (6) 尽量提高液体流道表面的光洁度, 保证流道畅通。
参考文献
[1]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社, 1995.
[2]沈阳水泵研究所, 中国农业机械化科学研究所.叶片泵设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1983.
[3]蒲志理.航空低压油泵[M].北京:国防工业出版社, 1975.
[4]金树德.现代水泵设计方法[M].北京:兵器工业出版社, 1993.
[5]袁寿其.低比转速离心泵理论与设计[M].北京:机械工业出版社, 1997.
提高离心泵效率 篇2
长沙多级泵厂总结出影响多级离心泵泵组效率的几个因素
多级离心泵的效率是机械、容积和水力三种效率的乘积。泵组的效率为泵效率和电机效率的乘积。造成多级离心泵组效率低的因素主要有以下几个。
1．泵本身效率是最根本的影响。同样工作条件下的泵，效率可能相差15％以上。
2．多级离心泵的运行工况低于泵的额定工况，泵效低，耗能高。
3．电机效率在运用中基本保持不变。因此选择一台高效率电机致关重要。
4．机械效率的影响主要与设计及制造质量有关。泵选定后，后期管理影响较小。
5．水力损失包括水力摩擦和局部阻力损失。泵运行一定时间后，不可避免地造成叶轮及导叶等部件表面磨损，水力损失增大，水力效率降低。
6．泵的容积损失又称泄漏损失，包括叶轮密封环、级间、轴向力平衡机构三种泄漏损失。容积效率的高低不仅与设计制造有关，更与后期管理有关。泵连续运行一定时间后，由于各部件之间摩擦，间隙增大，容积效率降低。
7．由于过滤缸堵塞、管线进气等原因造成离心泵抽空及空转。
离心泵运行影响因素与提高效率措施 篇3
1 离心泵运行的影响因素
离心泵的效率取决于机械、容积以及水力这三者效率的乘积。导致离心泵运行效率降低的因素有很多, 最主要的因素有: (1) 离心泵自身效率的影响:不同的离心泵有着不同的工作效率, 在同等的条件下运行, 不同离心泵之间的工作效率差异可高达15%以上; (2) 离心泵运行状况的影响:有的离心泵的运行状祝低于额定工况, 因此造成了能耗升高、工作效率降低; (3) 电机效率的影响:在离心泵运行过程中电机效率通常是保持不变的, 电机效率越高, 则离心泵工作效率越高; (4) 水力损失的影响:水力损失又包括水力摩擦损失和局部阻力损失, 当离心泵运行了一段时间之后, 其叶轮和导叶等部件往往会不可避免地出现一定程度的表面磨损, 而随着磨损程度的不断增大, 水力的效率也会逐渐降低; (5) 机械效率的影响:机械的设计及制造质量直接影响着机械效率, 若机械效率降低, 则离心泵的运行效率也会随之降低; (6) 离心泵容积损失的影响:离心泵的容积损失即所谓的泄露损失, 其主要有三种, 一种是叶轮密封环损失、一种是级间损失、还有一种是轴向力平衡机构损失, 离心泵在连续运行一段时间后其各部件之间的缝隙会随着摩擦的不断增大而增大, 随之容积效率就会不断降低; (7) 滤缸堵塞及管线进气的影响:若滤缸发生堵塞或是管线进气, 则离心泵就会出现抽空或空转等情况; (8) 启动操作的影响:若工作人员在启动离心泵之前没有做好准备工作, 对准备工作不够重视, 对暖泵、盘泵及灌注泵等基本操作不够规范和彻底, 那么将容易引起一些泵气蚀的情祝, 并会使离心泵的噪声和振动变大, 从而降低其工作效率。
2 提高离心泵工作效率的措施
2.1 改变管路特性曲线
影响离心泵工作效率的最关键因素是其运行的工况点, 所以若想提高离心泵的工作效率, 首先必须要对其运行工况点进行合理调整, 确保工况点可以在高效区内稳定运行。目前, 调整离心泵工况点的主要措施有两种, 其中之一就是改变管路特性曲线。在这方面, 一种方式是采取人口节流措施, 但由于离心泵的气蚀性, 所以该方法不够科学;第二种是采取旁路回流措施, 该措施比较适用于轴功率与流量成反比的离心泵;最后一种也是最常用的一种方式是在离心泵的排液管路上安装调节阀, 但该方法会在一定程度上导致系统运行效率和功率下降, 从而造成能源浪费。
2.2 改变离心泵性能曲线
改变离心泵性能曲线是调整离心泵工况点的另一种措施, 该方法的本质是通过消除系统运行中过多的扬程来提高离心泵的运行效率。对此, 第一种方式是将叶轮的外径切削掉, 从而使离心泵的性能曲线下移, 这样其工况点也会随着下移, 不过该方法会造成叶轮不可恢复, 且运行所需的机床设备非常精密, 所以使用范围较小;第二种方式是减少离心泵的叶轮级数, 其同样能够使离心泵的性能曲线下移, 从而带动工况点的下移, 但是该方法需要整体拆除多级泵, 所以只适合在工况稳定的条件下进行应用;第三种方式是淘汰掉工作效率低下的离心泵, 并根据实际需要扬程和流量来更换新的离心泵, 以及重新对管-泵系统进行设计和选型, 但是该方法往往需要投入较大的成本, 有些企业难以承担;最后一种方式是按需设置扬程和流量, 合理改变离心泵叶轮的转速以使其下移, 同时也使工况点下移。总体而言, 改变离心泵性能曲线是目前所比较普遍使用的一种节能技术, 离心泵节能的关键就在于增加扬程利用率及降低节流损失, 从而提高工作效率。
2.3 积极采用变频调速技术
离心泵调速的方法有很多, 但最常使用也是效果最好的方法莫过于使用变频调速技术。但由于变频调速技术的应用需要投入大量的资金, 所以需要先增加这方面的投入。近年来, 随着变频调速技术的不断发展, 机泵行业中已经比较广泛地应用了该技术, 并取得了非常好的节能效果。变频调速技术虽然投入较高, 但投资回收周期较短, 节能效果十分显著。一般情况下, 离心泵使用变频调速技术后其节能效果可提高30%-40%。变频调速技术可以自动控制离心泵调节速度, 并采用了软启动, 可以有效减少离心泵启动对电网带来的冲击, 以及还可以延长离心泵的使用寿命, 降低维护维修费用。因此, 未来我国应当继续将研发重点放在变频调速技术等高新技术上面。
3 结语
综上所述, 离心泵运行影响因素有很多, 主要包括离心泵自身效率的影响、离心泵运行状况的影响、电机效率的影响、水力损失的影响、机械效率的影响、离心泵容积损失的影响、滤缸堵塞及管线进气的影响、启动操作的影响等, 而若想提高离心泵的工作效率, 最重要的是要通过有效的措施合理调整离心泵工况点, 其次还要积极采用变频调速技术等高新技术。
参考文献
[1]高玉强.离心泵运行影响因素与提高效率措施[J].化工管理, 2015, 18:126.
提高离心泵效率 篇4
1 追求高效率的设计理论和设计参数的选择
离心泵的设计理论认为, 泵损失可分为机械损失、容积损失和水力损失3大部分。机械损失主要是轴承摩擦损失和密封摩擦损失, 在泵损失中所占比例较小, 可视为常数, 在本文中不作讨论。因此, 我们可以认为, 追求高效率的设计就是要最大限度地降低容积损失和水力损失。
1.1容积损失分析与设计参数的选择
离心泵的容积损失主要是叶轮与泵体密封环间隙泄漏损失 (图1) 。根据水力学理论, 流经密封环间隙的泄漏q可表达为:
式中, δ为密封环间隙的宽度 (m) ;D0为叶轮进口直径 (m) ;B为叶轮进口环壁厚 (m) ;ψ为密封环间隙圆角系数;λ为密封环间隙摩擦系数;l为密封环间隙长度 (m) ;b为叶轮叶片宽度 (m) ;ΔH为密封环间隙两端水头差 (m) 。
其中B、δ由于泵零件加工工艺、装配、泵转子轴刚度等条件的限制, 设计选择自由度很小, 一般设计中可视为定量。此外, λ、ψ是与密封环间隙形状、几何尺寸有关的损失系数, 在此视作常数。而对于给定的泵设计参数, ΔH亦可认为是常数, 一般ΔH≈0.8H (H为设计扬程) 。因此, 从式 (1) 可看出, 要使容积损失最小, 就要在设计中选择尽可能小的D0。
1.2水力损失分析与设计参数的选择
对于设计工况而言, 水力损失主要由叶轮、圆盘摩擦损失Δhyf、叶轮流道摩擦损失Δhef、叶轮流道扩散损失Δhk组成。据文献[2], 有下列各种计算公式, 有关尺寸如图2所示。
式中, Ky f为圆盘摩擦损失修正系数;g为重力加速度 (m/s2) ;ω为叶轮旋转角速度 (r/s) ;D2为叶轮外径 (m) ;Kef为流道水力摩擦损失系数;ξ为沿程阻力系数;R为叶轮流道模拟圆管水力半径 (m) ;β2为叶片出口角 (°) ;Km2为叶轮出口轴面速度系数;H为设计扬程 (m) ;Z为叶片数;D1为叶片进口边平均直径 (m) ;Kk为叶轮流道扩散损失修正系数;b2为叶轮叶片出口宽度 (m) ;b1为叶轮叶片进口宽度 (m) ;Vm2为叶轮出口轴面速度 (m/s) 。
从式 (2) 、 (3) 、 (4) 、 (5) 可以看出, 圆盘摩擦损失与叶轮外径D2的5次方成正比, 叶轮流道摩擦损失和叶轮流道扩散损失均与叶轮外径D2、叶片数Z的一次方成正比, 与叶轮出口轴面速度的2次方成正比, 与叶片出口角β2的正弦平方成反比。根据泵的设计理论, 当选取较大的叶片出口角β2和叶片出口宽度b2时, 泵的扬程将会提高, 从而可减小叶轮外径D2, 这样可使圆盘摩擦损失Δhy f、叶轮流道摩擦损失Δhef、叶轮流道扩散损失Δhk同时减少, 对提高泵效率很有效。而选取较少叶片数Z, 虽然可使Δhef和Δhk减少, 但由于叶片数少, 扬程将降低, 若保持扬程不变, 必须增大D2, 从而增加Δhy f。因此, 对叶片数的选择要全面分析考虑。
2 追求高汽蚀性能设计理论及设计参数选择
泵的汽蚀基本方程为:
式中, NPSHr泵必须汽蚀余量, 它表示从泵进口处到最低压力点间液体流动过程中的压力降 (NPSHr越小, 表明泵的汽蚀性能越好) ;λ1为与叶轮入口几何形状有关的经验系数;λ2为液流流过叶片头部引起的压力下降经验系数;V0为叶轮入口平均流速;W1为叶片入口相对速度;Q为泵流量;ηV为容积效率。
其余符号意义同前。
当加大D0时, 显然V0下降, NPSHr数值变小, 对改善泵汽蚀性能有好处。
另外, 从叶片进口速度三角形可以看出 (图3) , 当叶片进口轴面速度降低时, 叶片前盖板处相对速度成比例下降。故选用较大的叶轮进口直径可以提高泵的汽蚀性能。
同样, 当减少叶片数时, 可以降低叶片进口处叶片对液流的排挤作用, 提高过流量, 或者说相同流量下降低了V0和W1的数值, 对提高泵汽蚀性能显然有利。
叶轮进口宽度b1和前盖板的曲率半径r1 (图2) 对汽蚀性能亦有影响。增大b1可增大过流面积, 降低进口处液流绝对速度和相对速度, 即降低了NPSHr值。前盖板曲率半径r1过小将使液流进入叶轮后速度很快增大, 造成脱流, 而较大的r1可减弱前盖处液流转弯处流速的变化, 使流速均匀平稳, 改善汽蚀性能。在实际设计中, r1的取值可按下式选取:
3 兼顾高效高汽蚀性能时设计参数的选择
根据前面所述, 当β2、b2变化时, 显然仅对效率产生影响。当Z变化时, 对效率和汽蚀性能有共同增加或降低的影响。当D0变化时, 对效率和汽蚀性能的影响是:效率增加则汽蚀性能下降, 效率下降时则汽蚀性能提高。这是一个定性的问题, 在具体设计中应怎样进行选择, 才能兼顾取得高效和高汽蚀性能, 笔者根据设计经验认为, 对于单级离心泵, 对Z、β2、D0、b2的选择按以下推荐值可以获得高效汽蚀性能:
β2=28°～35°, 低比转速取大值, 高比转速取小值;
b2= (1.3～1.6) b2′, 低比转速取较大系数, 高比转速取较小系数;
D0= (1.1～1.3) D0′, 低比转速取较小系数, 高比转速取较大系数。
其中b2′、D0′分别为常规设计中叶轮的出口宽度和进口直径。
4 设计实例
表1中列举了应用上述分析及设计方法设计的几种比转速离心泵的β2、b2、D0、Z几个几何参数值及试验数据, 括号内数值分别为相同流量、扬程和比转速下GB/T13007—91中的效率值和GB/T13006—91 (JB/T6663.1—93) 中的汽蚀余量值。
5 结语
理论分析和设计实例证明, 与常规设计相比较, 在叶轮几何参数的选择问题上, 取较大的D0、β2、b2、b1、r1和较小叶片数Z可取得高效高汽蚀性能的效果。
摘要：从离心泵效率和抗汽蚀性能两者互为兼顾的观点出发, 分析了离心泵叶轮几何参数与泵效率、汽蚀性能之间的定性关系, 结合设计经验和实例, 提出了叶轮主要几何参数的取值范围。
关键词：离心泵,叶轮设计,效率,汽蚀性能
参考文献
[1]《离心泵设计基础》编写组.离心泵设计基础.北京:机械工业出版社, 1974
[2]金树德.现代水泵设计方法.北京:兵器工业出版社, 1993
如何提高离心泵抗汽蚀性能 篇5
一、离心泵发生汽蚀的原因
汽蚀现象是水和汽变化的物理特性, 水在一定温度和汽化压力下促使它们相互转化。由于离心泵在高速旋转的叶轮对液体作功, 使液体能量增加, 在相互作用过程中, 液体的速度和压力在不断变化, 而叶轮入口处是压力最低的地方, 就会有蒸汽及溶解在液体中的气体从液体中大量逸出, 形成许多蒸汽与气体混合的小气泡。这些小气泡随液体流到高压区时, 气泡在高压区受压破裂而重新凝结。在凝结过程中, 液体质点从四周向气泡中心加速运动, 在凝结的瞬间, 质点互相撞击, 产生很高的局部压力。这些气泡如果在金属表面附近破裂而凝结, 则液体质点就象无数小弹头一样, 连续打击在金属表面上。在压力很大、频率很高的连续打击下, 金属表面逐渐因疲劳而破坏, 这就是机械剥蚀作用。在所产生的气泡中还有化学腐蚀作用, 在气泡中的氧等活泼气体在借助气泡凝结时所放出的热量, 对金属起化学腐蚀。金属在气泡的机械剥蚀和化学腐蚀的共同作用下, 加快了损坏速度, 发生汽蚀的部位很快就被破坏成蜂窝或海绵状, 使泵的性能下降, 寿命缩短, 直至无法工作。
针对汽蚀的破坏, 从离心泵发生汽蚀原因中找出抗汽蚀性能的方法。
首先注意离心泵的安装高度。
泵的安装高度必须小于某一定值, 也就是泵轴心线距液面的垂直高度 (即吸上真空度) , 以确保叶轮内各处压力均高于液体的饱和蒸气压, 避免产生汽蚀。
当离心泵吸入口处为绝对真空时, 压力为10.33m汞柱高度, 而吸入口处是不可能达到绝对真空的。当叶轮吸入口处的压力接近水的汽化压力时, 就会产生汽蚀, 再加管路的摩擦阻力就更加吸不上水来, 所以离心泵抽水时最大安装高度 (几何高度) 不可能达到10.33m, 即最大吸上真空度通常都低于8.5m。为了保证离心泵运行时不发生汽蚀, 同时又尽可能大的吸上水, 以减少土建工程量, 我国机标规定, 将最大吸上真空度的试验值减去0.3m的安全量, 作为允许最大吸上真空度。所以在安装离心泵时一定要按铭牌说明书上所规定允许最大吸上真空度 (吸程) 安装, 还必须注意最大吸上真空高度会随流量的增加而下降, 在注意安装高度时还必须防止长时间在大流量下运行。
二、改进叶轮入口的几何形状
从泵的本身来说, 泵的吸入口处并不是泵内压力最低的地方, 因为液体自泵的吸入口流到叶轮过程中还有能量损失, 压力还要降低, 因为从泵吸入口到叶轮入口的过流面积一般是逐渐收缩的, 同时液流方向也有变化, 因而引起了附加的压力降。在进入叶轮流道时 (如图) 液体以相对速度W1, 绕流叶片头部, 由于急速转弯流速加快, 在叶片背面K点, 压力相应降到最大, 当K点处的压力等于液体在该温度下的汽化压力时, 泵开始发生汽蚀。液体由离心泵入口到叶轮叶片入口边压力最低点, K的动压降就是我们通常所说的最小汽蚀余量△hmin (NPSHr) (当然NPSHr越小抗汽蚀性能越好) 。当离心泵吸入口超过汽化压力的能量数值降到正好等于液体的动压降时, 叶轮内开始发生汽蚀, 所以要使泵不发生汽蚀动压降△h (NPSHa) 必须大于最小汽蚀余量 (NPSHa越大越不易汽蚀) , 也就是指泵吸入口处单位重量液体所具有的超过汽化压力的富余能量必须超过汽化压力最低限度的能量。
当泵的转速和流量确定后, 泵的最小汽蚀余量仅与吸入室和叶轮入口几何形状有关, 所以提高水泵抗汽蚀性能主要措施之一是改进叶轮入口的几何形状。
1.采用双吸叶轮, 双吸叶轮相当于两个叶轮背靠背地并联工作, 采用双吸叶轮的泵的最小汽蚀余量相当于单吸叶轮泵的最小汽蚀余量的0.63倍, 这样大大提高了叶轮抗汽蚀性能。
2.采用较低的叶轮入口速度, 适当增大叶轮入口直径, 提高了泵的抗汽蚀性能, 但必须注意不是叶轮入口速度越低, 叶轮入口直径越大越好。因为随入口直径增加后, 密封环处间隙面积增大, 泄漏量增加, 使泵容积效率降低, 另一方面, 叶轮入口直径增大后, 相对地缩短了流道长度, 影响水力效率。所以在确定入口直径时, 除了要考虑泵的抗汽蚀性能外, 还要兼顾泵的效率。
3.增大叶片入口边宽度, 可以使叶轮入口相对速度W减小, 从而提高泵的抗汽蚀性能。通常是在增大叶片入口边宽度与适当增大叶轮入口直径联合起来考虑, 经验表明叶片入口过流面积和叶轮入口面积之比在1.1至2.5范围较好。对分数式多级泵第一级叶轮, 一般略为加大叶轮入口直径以减低液体进入叶轮时的流速, 提高泵的抗汽蚀性能, 而其他各级叶轮由于已有一定的吸入压力, 故就尽量减小叶轮入口直径, 以提高泵的效率。
4.适当选择叶片数和冲角可以改善泵的汽蚀性能。
一般叶片数取6片, 对低比转数的泵可以取9片, 对高比转数的泵可以取4～5片。
确定叶片数Z按经验公式估计:
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D2为叶轮外径, 单位cm。
冲角是叶轮入口处的叶片安放角比相对速度液流角增大了一个角度, 一般冲角取3°～15°, 实验表明适当加大冲角可以延缓泵在大流量工况工作时抗汽蚀性能, 但如果正冲角超过20°, 将引起效率下降, 如果取负冲角, 则泵的抗汽蚀性能明显恶化。
三、采用抗汽蚀材料
当由于使用条件所限, 不可能完全避免发生汽蚀时, 应采用抗汽蚀材料制造叶轮, 以延长叶轮的使用寿命, 一般来说, 零件表面越光滑, 材料强度和韧性越高, 硬度和化学稳定性越高, 则材料的抗汽蚀性能也越好, 实验证明铝铁青铜9-4、2Cr13、稀土合金铸铁和高镍铬合金等材料, 比普通铸铁的抗汽蚀能力大得多。
1.不同的材料抗汽蚀能力有十分明显的区别, 影响材料抗机械剥蚀能力的因素很多, 通常具有高硬度和高弹性的材料抗机械剥蚀的能力较强, 国外推荐低碳铬镍合金钢, 如13Cr4N作为在汽蚀状态下工作的水力机械材料。某泵站叶轮将原铸钢改换为不锈钢, 运行多年未发现其破坏斑痕。铜叶轮比铸铁叶轮抗汽蚀效果好。
2.为防化学腐蚀给叶轮涂层的方法比较常用。非金属涂料采用环氧树脂、尼龙粉、聚胺脂等, 但应注意操作工艺, 以防止涂层脱落。当今, 在流道表面堆焊合金或喷涂合金的方法防止汽蚀破坏有一定效果, 如不锈钢焊条堆焊法、不锈钢镶焊修补法、合金粉末喷焊和高速火焰喷涂。
四、采用诱导轮提高泵的抗汽蚀性能
在离心泵的叶轮前加装诱导轮能提高泵的抗汽蚀性能, 解决汽蚀问题, 效果很好, 而且运行维修方便。当液体流过诱导轮时, 诱导轮首先对液体做功。相当于进入后面叶轮的液体起到增压作用, 从而提高了压力。虽然增加了电机的部分负荷, 但由于电机的功率一般都比较大, 所以电机仍能满足要求, 勿需更换电机。但在设计制造断面形状诱导轮时必须注意诱导轮的外径、轮毂直径、叶片数、叶片间距、叶片长度、厚度、外圆处的液流角、叶片冲角、以及叶片入口边形状。诱导轮成螺旋形, 螺旋外径处的螺旋角较小, 内径处的螺旋角较大, 以保证螺旋的导程相等。实践表明, 如果离心叶轮和诱导轮合装后配合恰当, 扬程有所提高, 泵的汽蚀少, 转数提高, 效率也略升。随着人们对诱导轮的认识和设计制造水平的提高, 以及使用经验的不断积累, 将诱导轮作为提高泵抗汽蚀性能的最有力措施而被广泛应用。
五、修整叶片头部
修整叶片头部对降低叶片进口的水流速度, 减小叶轮进口排挤, 提高泵的抗汽蚀能力是有效的。试验结果是将叶片头部背面修薄, 在靠近叶轮前盖板处也修薄一些, 不仅延长了叶轮使用寿命, 还发现汽蚀余量下降0.5左右。
人们在如何提高离心水泵抗汽蚀性能上, 不断探索总结经验, 为了提高泵的制造质量, 泵的重要零件开始用数控机床加工, 有些为了实现泵的技术创新与发展, 采用了优化设计方法和复合技术。随着先进技术的研发, 在提高离心泵抗汽蚀性能试验研究上还会有重大突破。
参考文献
[1]《离心泵设计基础》编写组, 机械工业出版社出版.
[2]吴醒凡.现代泵技术手册.北京宇航出版社, 1995.
提高离心泵效率 篇6
现在应用于园林喷泉及大型瀑布景观的水泵大多数是采用离心水泵, 目的是将水提升到一定的高度沿着水池口落下形成瀑布景观, 大流量的喷泉瀑布离心泵需要建立水泵房, 通过水泵旋转的机械能转换成水流的动能和势能。喷泉瀑布离心泵在运转过程中, 由于叶轮进口处液体局部压力降低而导致其内生成汽泡, 在稍后压力升高处汽泡又缩小或消失, 出现水力机械所特有的汽蚀现象。当喷泉瀑布离心泵发生汽蚀时, 叶轮会遭受汽蚀破坏, 影响喷泉瀑布离心泵性能并妨碍其正常运行。首先, 喷泉瀑布离心泵汽蚀时叶轮内液体的能量交换受到干扰和破坏, 在外特性上表现为流量—扬程曲线﹑流量—轴功率曲线﹑流量—效率曲线下降。严重时会使喷泉瀑布离心泵中的液流中断, 不能工作。其次, 因为汽蚀过程是非常态的, 导致液流产生较大的压力脉动, 但压力脉动的频率和相关部件的固有频率一致或接近时就会产生较大振动。同时, 汽蚀过程中空泡破灭会产生很大的冲击和噪声。另外, 汽蚀对过流部件也有很大的破坏作用, 其中对于叶轮的破坏最严重, 其他如叶轮口环间隙处会产生间隙汽蚀破坏, 甚至导叶处有时也能发现汽蚀的破坏。这种破坏大大的缩短喷泉瀑布离心泵的大修周期和使用寿命, 严重时会产生叶片断裂或外壳穿孔等重大事故。因此, 如何提高喷泉瀑布离心泵的汽蚀性能, 解决喷泉瀑布离心泵正常运行的难题, 在设计时显得十分重要。
二、喷泉瀑布离心泵发生汽蚀的理论关系
在景观工程应用中, 改善汽蚀性能的主要方法是发展耐汽蚀材料和研究高抗汽蚀的叶轮, 而应用耐汽蚀材料只是防止叶轮本身受到汽蚀破坏, 汽蚀现象仍然在叶轮内部的流动中发生, 也就是说对于喷泉瀑布离心泵本身的运行可靠性并没有得到有效改善。因此, 从离心叶轮机械内流理论出发, 深入研究汽蚀机理, 将其应用于高抗汽蚀叶轮的研制和开发中, 对叶轮进行最优化设计, 才是提高汽蚀性能最有前途的发展方向。根据喷泉瀑布离心泵汽蚀理论, 喷泉瀑布离心泵是否发生汽蚀受到泵本身和吸入装置两个方面的影响, 具体表现就是泵汽蚀余量NPSHr和装置汽蚀余量NPSHa二者的关系。其中NPSHr表示泵不发生汽蚀, 要求在泵进口处单位重量液体具有超过汽化压力水头的富余能量, NPSHa表示泵进口处液体具有的全部水头减去汽化压力水头净剩的值。
1. 当NPSHa=NPSHr时, 喷泉瀑布离心泵开始发生汽蚀;
2. 当NPSHa
3. 当NPSHa>NPSHr时, 喷泉瀑布离心泵不汽蚀。
由于喷泉瀑布离心泵发生汽蚀的临界点就是NPSHr=NPSHa, 要使喷泉瀑布离心泵不发生汽蚀, 必须增大NPSHa和减小NPSHr。对于NPSHa是泵在使用中存在的问题, 在设计过程中不与考虑, 因此, 为了使喷泉瀑布离心泵安全高效地运行, 避免汽蚀现象的发生, 提高泵汽蚀余量NPSHr就变得由为重要。根据泵汽蚀余量的基本公式
式中:υ0——叶片进口稍前的绝对速度;
w0——叶片进口稍前的相对速度;
g——重力加速度;
λ——叶片进口压降系数。用叶片进口稍前的相对速度比值来表示
三、改善喷泉瀑布离心泵叶轮结构提高汽蚀性能的措施
由汽蚀的理论公式可知, 要减小NPSHr, 必须通过减小υ0、w0、λ来实现。而这三者都与叶轮的结构形状有着密切的关系, 叶轮性能的好坏直接影响水泵整体运行性能, 因此, 采用合理的叶轮结构和形状, 对提高叶轮自身的抗汽蚀性能具有特别重要的意义。
1. 在传统的汽蚀理论中, 通过叶轮的优化设计来提高喷泉瀑布离心泵的汽蚀性能主要有以下几个方面:
(1) 适当增大叶轮进口直径Dj;
(2) 增加叶轮叶片进口宽度bl;
(3) 适当增加叶轮盖板进口部分的曲率半径;
(4) 使叶片进口边适当的前伸并倾斜;
(5) 增大叶片进口角β1和采用正冲角;
(6) 减薄叶片进口厚度;
(7) 在叶轮吸入口前加装诱导轮;
(8) 超汽蚀泵。
2. 近年来, 又出现了一些新的研究成果, 主要有:
(1) 采用长短叶片形式的叶轮
常规喷泉瀑布离心泵的叶轮叶片数一般为6~7片, 叶片出口边节距较大, 叶栅稠密度偏小, 出水边处叶片对水流的导流作用减弱, 使水流偏离叶片出水边工作面而产生汽蚀。由于这些原因, 提出了采用长短叶片形式的叶轮来改善喷泉瀑布离心泵的汽蚀性能。其原则为:在不致造成叶片间的流道阻塞, 保持良好的导流性能前提下, 利用长短叶片的形式适当增大该出口部位的叶栅稠密度。短叶片的位置根据流线—流面优化导流特性决定, 并非一定在两个长叶片的中间位置。由于增加了短叶片, 出口部位的节距减小为原来的一半, 叶栅稠密度相应增大, 叶片对水流的导流能力明显提高, 避免了出口液流偏离叶片的现象;同时叶片出口部位单位面积上的负载大为减轻。因此使叶轮的汽蚀性能得到有效改善, 而水力效率和性能不受到影响。
(2) 叶轮出口宽度适当增加
在叶轮的设计过程中, 叶轮出口宽度增加会导致流量增大。如果在计算中控制其它参数, 使流量限制在设计要求中, 则适当增大叶轮出口宽度可使流道中的流速相对减小, 提高泵的汽蚀性能。
(3) 采用适当的叶片数量
从流动机理分析可知, 流道内的流动速度过大是造成汽蚀的一个主要原因, 为减小叶轮内的相对流动速度, 就必须加大叶片角, 而叶片角加大后, 必然使每个叶片上的载荷加大。为保证叶片作功符合需要, 就必须适当减少叶片数。但过分的减少叶片数, 会造成流道内分层效应, 使叶轮出口流场畸变, 影响叶轮与蜗壳中的流动效率。因此, 叶片数有个最佳值, 经过计算通常为5~6片。采用恰当的叶片数可以降低流道内的流速, 有利于汽蚀性能的改善。
四、利用CFD技术提高喷泉瀑布离心泵叶轮汽蚀性能研究
随着计算机技术的快速发展, CFD (计算流体动力学) 取得长足进步, 相关的CFD软件也趋于成熟, 数值求解喷泉瀑布离心泵内部流场已成为水力设计的重要工具。进入90年代后, 因为CFD分析计算结果可靠性、精确性和对大规模复杂流动的适应性以及使用上的方便性有了很大的提高, 特别是一些应用范围广、计算能力强、收敛速度快、计算结果可靠并具有良好前后处理界面的软件达到了工业应用水平, 被工业界广泛认同。在国内外很多文献中, 已有将CFD技术与提高水轮机抗汽蚀性相结合的研究, 但将CFD技术与高抗汽蚀性能喷泉瀑布离心泵的研究结合在一起还不多见。
喷泉瀑布离心泵叶轮内部流动情况十分复杂, 采用常规的试验方法来提高其汽蚀性能具有设计周期长, 费用高等弊端, 成为高抗汽蚀性能喷泉瀑布离心泵发展的严重障碍。近年来, 由于CFD在喷泉瀑布离心泵叶轮内部流场计算方面取得的重要应用, 使CFD技术在提高叶轮汽蚀性能分析研究中成为一个强有力的工具。
由于CFD软件具有上述特点, 可以用其计算叶轮内部汽蚀工况的流动参数, 采用三元粘性数值模拟方法研究喷泉瀑布离心泵叶轮内部的流动规律。通常是基于N-S方程和标准κ-ε模型加壁面函数法, 对N-S方程组做平均化处理来计算叶轮内部的速度场、矢量场和压力场, 并进行数值效率计算对性能进行预估。
根据计算结果分析喷泉瀑布离心泵叶轮内部流场分布规律, 同时将所得数据与汽蚀试验结果进行比较, 找出汽蚀与叶轮几何形状的关系, 建立一个能够在实际的设计中应用的模型。这一模型的建立将能有效改善叶轮的汽蚀性能, 也能取代繁重的模型实验模拟工作, 同时也可以缩短高抗汽蚀性能叶轮的设计时间, 提高经济效益, 是高抗汽蚀喷泉瀑布离心泵优化设计的一个新的发展方向。
五、结论
综上所述, 改善和提高喷泉瀑布离心泵汽蚀性能的方法有很多种, 但通常情况下基于经验的传统方法不能同时采用, 在叶轮设计中应根据具体的实际情况恰当的选择。同时, 也要考虑喷泉瀑布离心泵的不同性能特点, 使之符合工作环境条件的要求, 让其在高效点可靠工作。这样, 就可以从根本上改善喷泉瀑布离心泵的汽蚀性能。而将近年来快速发展的CFD技术与传统试验方法相结合, 把汽蚀过程模型化, 将成果应用在喷泉瀑布离心泵的优化设计中, 必将成为今后喷泉瀑布离心泵抗汽蚀性能研究热点。
参考文献
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